基于UC3842反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

1、中圖分類號(hào):TP-216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B基于 UC3842反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)成都信息工程學(xué)院 成都 610225詹艷軍 楊筆鋒 涂永生ChengDu University of Information Technology ChengDu 610225Zhan Yanjun, Yang Bifeng, Tu Yongsheng摘要: 隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切, 而電子設(shè)備都離不開可靠的電源。進(jìn)入 80年代計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源化,率先完 成計(jì)算機(jī)的電源換代, 開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù), 控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí) 間比率,維持穩(wěn)定

2、輸出電壓的一種電源,一般由 PWM(脈沖寬度調(diào)制控制 IC 和 MOSFET 構(gòu) 成。 本文利用開關(guān)電源芯片 UC3842設(shè)計(jì)制作一款新穎的單端反激式、 寬電壓輸入范圍、 12V8A 固定電壓輸出的 96W 開關(guān)穩(wěn)壓電源,適用于需要較大電流的直流場(chǎng)合 (如對(duì)汽車電瓶充電 。 關(guān)鍵詞:開關(guān)電源;反激變換;RCD 箝位;UC3842Instead stirs up -like the switching power supply design based on UC3842 Abstract : Along with the electric power electronic technology

3、 rapid development, the electric power electronic installation and people's work, the life relations are day by day close, but the electronic installation cannot leave the reliable power source. Entered the 80's computer power source to realize the switching power supply comprehensively, too

4、k the lead to complete the computer the power source update.The switching power supply is uses the modern electric power electronic technology, controlling switch transistor clear and the shutdown time ratio, the maintenance stable output voltage one kind of power source, generally (pulse width modu

5、lation controls IC and the MOSFET constitution by PWM. This article uses the switching power supply chip UC3842 design to manufacture a section novel single end instead to stir up -like, the width voltage input scope, 12V8A the fixed voltage output 96W switch voltage-stabilized source, is suitable i

6、n needs the big electric current the direct-current situation (for example to automobile storage battery charge.Keywords :switching power supply; Instead stirs up the transformation; RCD clamp; uc3842引言:1955年美國羅耶 (GH.Roger 發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器, 是實(shí)現(xiàn) 高頻轉(zhuǎn)換控制電路的開端,1957年美國查賽(Jen Sen發(fā)明了自激式推挽雙變壓器,1964年美國科

7、學(xué)家們提出取消工頻變壓器的串聯(lián)開關(guān)電源的設(shè)想, 這對(duì)電源向體積和重量的下降 獲得了一條根本的途徑。 到了1969年由于大功率硅晶體管的耐壓提高, 二極管反向恢復(fù)時(shí)間 的縮短等元器件改善,終于做成了25KHz的開關(guān)電源。進(jìn)入90年代開關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電 子、電器設(shè)備領(lǐng)域,程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使 用了開關(guān)電源, 更促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新, 使得 開關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新, 這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng), 這為開關(guān)電源提供 了廣泛的發(fā)展空間。 開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向, 高頻化使開關(guān)電源小型化, 并使開關(guān) 電

8、源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域, 特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用, 推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、 輕便化。1、系統(tǒng)框圖實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖 1所示:其中的 PWM 芯片是設(shè)計(jì)中的核心元件, 本設(shè)計(jì)采用 UC3842作為 PWM 產(chǎn)生和控制器件。同時(shí)開關(guān)變壓器的設(shè)計(jì)以及主電路的元件參數(shù)也是決定設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。 圖 1. 系統(tǒng)框圖2、由 UC3842構(gòu)成的單端反激式開關(guān)電源2.1 uc3842的性能:UC3842 是一種高性能的固定頻率電流型控制器, 是專為離線式直流變換電路設(shè)計(jì)的, 它集成了振蕩器、有溫度補(bǔ)償?shù)母咴鲆嬲`差放大器、電流檢測(cè)比較器、圖騰柱輸出電路、輸 入和基準(zhǔn)欠電壓鎖定電路及 PWM 鎖存器

9、電路。 該芯片主要有以下性能:(1 可調(diào)整振蕩器的 放電電流以產(chǎn)生精確的占空比;(2 最高開關(guān)頻率可達(dá) 500kHz;f=1.8/(Rt.Ct Rt單位為 K ,Ct單位為 UF,f 單位為 KHz。(3 帶鎖定的 PWM ( Pulse Width Modulation ,可以實(shí)現(xiàn) 逐個(gè)脈沖的電流限制;(4 具有內(nèi)部可調(diào)整的參考電源, 可以進(jìn)行欠壓鎖定;(5 圖騰柱輸 出電路能夠提供大電流輸出, 輸出電流可達(dá) 1A , 可直接對(duì) MOSFET 進(jìn)行驅(qū)動(dòng);(6 帶滯環(huán)的 欠壓鎖定電路可有效地防止電路在閾值電壓附近工作時(shí)的振蕩等。2.2 硬件電路圖: 圖 2. 由 UC3842構(gòu)成的開關(guān)穩(wěn)壓電源

10、電路圖系統(tǒng)工作原理:220V 的交流輸入電壓經(jīng)保險(xiǎn)管和 EMI 濾波器 (濾除電網(wǎng)上的高頻電壓成 分同時(shí)防止開關(guān)穩(wěn)壓電源自身產(chǎn)生的高頻串入電網(wǎng)后整流并濾波平滑后為電路提供約 300V 直流工作電壓, 起動(dòng)電路由電容 C12 和 R18,R19 構(gòu)成, C12 經(jīng)電阻 R 18,R19充電, C12 的電壓達(dá)到 16V 時(shí),UC3842啟動(dòng)并有輸出, 使 MOS 開關(guān) Q(型號(hào) 2SK725 耐壓 500V, 電流 15A,功率 125W 導(dǎo)通, 能量存貯在變壓器 T 1中。 此時(shí),由于二次側(cè)各路整流二極管反向偏置, 故能量不能傳到 T 1 的二次側(cè), T 1 的一次側(cè)電流通過電阻 R22檢測(cè)并

11、與 UC3842內(nèi)部提供 的 1V 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較, 當(dāng)達(dá)到這一電平時(shí),Q 關(guān)斷, 所有變壓器的繞組極性反向, 輸出 整流二極管正向偏置, 存貯在 T 1 中的能量傳輸?shù)捷敵鲭娙萜髦小?啟動(dòng)結(jié)束后, 反饋線圈 N c 的電壓整流后經(jīng)取樣電阻分壓回送到誤差放大器的反向端(腳 2 和 UC3842 內(nèi)部的 2.5V 基準(zhǔn)電壓作比較來調(diào)整驅(qū)動(dòng)脈沖寬度, 從而改變輸出電壓以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的控制。 這樣, 能量 周而復(fù)始地存貯釋放, 給輸出端提供電壓。 C12 在剛開始時(shí)必須存貯足夠的能量才能維持控 制系統(tǒng)工作。3、電路主要參數(shù)的設(shè)計(jì)3.1 開關(guān)穩(wěn)壓電源中 RCD 箝位參數(shù)計(jì)算3.1.1 RCD 箝位電路

12、的結(jié)構(gòu)及工作原理在反激式變換器中,箝位電路采用RCD形式具有結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉等優(yōu)點(diǎn),下文論述該種電路的設(shè)計(jì)方法。圖為RCD 箝位電路在反激式變換器中的應(yīng)用。 圖3 RCD吸收電路結(jié)構(gòu)圖3中:Vclamp: 箝位電容兩端間的電壓;Vin:輸入電壓;VD:開關(guān)管漏極電壓; Lp:初級(jí)繞組的電感量; Llk:初級(jí)繞組的漏感量。 該圖中RCD箝位電路的工作原理是:當(dāng)開關(guān)管 導(dǎo)通時(shí),能量存儲(chǔ)在Lp和Llk 中,當(dāng)反激式變換器中RCD箝位電路的開關(guān)管關(guān)閉時(shí),Lp中的 能量將轉(zhuǎn)移到副邊輸出,但漏感Llk 中的能量將不會(huì)傳遞到副邊。 如果沒有RCD箝位電路, Llk 中的能量將會(huì)在開關(guān)管關(guān)斷瞬間轉(zhuǎn)移到開關(guān)管

13、的漏源極間電容和電路中的其它雜散電容中, 此時(shí)開關(guān)管的漏極將會(huì)承受較高的開關(guān)應(yīng)力。 若加上RCD 箝位電路, Llk 中的大部分能量將 在開關(guān)管關(guān)斷瞬間轉(zhuǎn)移到箝位電路的箝位電容上, 然后這部分能量被箝位電阻Rc消耗。 這樣 就大大咸少了開關(guān)管的電壓應(yīng)力。3.1.2 RCD 箝位電路的設(shè)計(jì)在RCD 箝位電路中電阻Rc和電容Cc的取值都比較大, 因此, 箝位電容Cc上的電壓在每個(gè) 開關(guān)周期不會(huì)有較大的變化, 這樣, 可以用一個(gè)恒定值Vclamp 來表示箝位電容兩端的電源。 在此基礎(chǔ)上可以按以下幾個(gè)步驟來設(shè)計(jì)RCD箝位電路。步驟一:確定箝位電壓Vclamp箝位電壓Vclamp 與開關(guān)管的VBR(DS

14、S 及輸入最高電壓有關(guān),如果考慮0.9的降額使用 系數(shù),可用下式來確定Vclamp 的大小:INMAX DSS BR CLAMP V V V = (9. 0 (3.1式中:VOR:次級(jí)到初級(jí)的折射電壓;Vclamp :箝位電容Cc兩端的箝位電壓;VBR(DSS :開關(guān)管的漏源極擊穿電壓;VINMAX :最大輸入直流電壓步驟二:確定初級(jí)繞組的漏感量Llk初級(jí)繞組的漏感量可以通過測(cè)試來獲得, 常用方法是, 短路各個(gè)次級(jí)繞組測(cè)試此時(shí)的初 級(jí)繞組的感量, 這個(gè)值就是初級(jí)繞組的漏感量。 需要注意的是, 測(cè)試頻率應(yīng)采用變換器的工 作頻率。步驟三:確定箝位電阻Rc 箝位電容Cc兩端的電壓可用恒定值Vclam

15、p表示,因此箝位電阻消耗的功率為:Rc V P clamp clamp R 2= (3.2 式中:PR-clamp:箝位電阻消耗的功率另一方面從能量守恒原則考慮,存在以下關(guān)系:VoR Vclamp V W W W OR l l clamp R += (3.3式中:WR-clamp:箝位電阻消耗的能量;Wl:初級(jí)繞組漏感中存儲(chǔ)的能量;VOR:次級(jí)到初 級(jí)的折射電壓;Vclamp:箝位電壓;將能量轉(zhuǎn)換為平均功率則(3.2式可變?yōu)?1. (212vRo Vclamp V I L f P RO peak ds lk s clamp R += (3.4 式中:fs:變換器的工作頻率;Llk:初級(jí)繞組的漏

16、感量;Ids-peak:開關(guān)管的最大峰值 電流(即低壓滿載時(shí)的峰值電流;這樣由(3.2、(3.4式就可得到箝位電阻的計(jì)算公式:s peak ds lk f I I VclampVor Vclamp Rc . .(. (22= (3.5步驟四:確定箝位電容Cc箝位電容C的值應(yīng)取得足夠大以保證其在吸收漏感能量時(shí)自身的脈動(dòng)電壓足夠小,通常 取這(c 個(gè)脈動(dòng)電壓為箝位電壓的5%-10%, 這樣,就可通過下式來確定Cc的最小值。sc f VclampR Vclamp Cc . > (3.6 式中:Cc:箝位電容;Vclamp:箝位電壓;Vclamp:箝位電容上的脈動(dòng)電壓 Rc :箝位電阻; fs

17、:變換器的工作頻率。3.2 開關(guān)變壓器及主電路參數(shù)計(jì)算 變壓器是整個(gè)電源供應(yīng)器的重要部分, 所以變壓器的計(jì)算及驗(yàn)證是很重要的, 以下即就 本設(shè)計(jì)中采用的 EI40變壓器做介紹。決定變壓器的材質(zhì)及尺寸,依據(jù)變壓器計(jì)算公式:Gauss x NpxAeLpxIp B 100(max= (3.7 B(max = 鐵心飽合的磁通密度(Gauss;Lp = 一次側(cè)電感值(uH;Ip = 一次側(cè)峰值電 流(A; Np = 一次側(cè)(主線圈圈數(shù);Ae = 鐵心截面積(cm2;4、測(cè)試結(jié)果Pin(w Iin(A Iout(AVout(V Ripple(mVPout(w eff 90V 135.8 3.0 8.0

18、12.0 32 96. 70.7 115V 127.2 2.2 8.0 12.0 28 96 75.5 132V 125.8 1.9 8.0 12.0 29 96 76.3 180V 125.2 1.4 8.0 12.0 30 96 76.7 230V 124.5 1.1 8.0 12.0 29 96 77.1 260V 124.4 1.0 8.0 12.0 29 96 77.2 5、結(jié)束語本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)在于開關(guān)電源硬件簡潔, 在保證基本精度要求的前提下, 著重考慮成 本及使用的安全可靠, 滿足了實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)成本低易于推廣的要求, 非常適合中、 大功率開 關(guān)電源的推廣應(yīng)用,具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。6、參考文獻(xiàn):1 劉勝利.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)M.電子工業(yè)出版社 2001.92 GEORGE C.CHRYSS